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[박형주 세상 속 수학] 테슬라의 재발견과 에디슨의 반격

[박형주 세상 속 수학] 테슬라의 재발견과 에디슨의 반격

입력 2016-04-19 18:08
업데이트 2016-04-19 18:34
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박형주 아주대 석좌교수
박형주 아주대 석좌교수
생전의 스티브 잡스는 일개 기술회사의 대표를 훨씬 넘는 영향력을 가졌다. 다가올 미래를 미리 보는 듯한 그의 통찰력에 사람들은 열광했고, 열성팬들이 늘어나면서 종교적인 느낌의 컬트와 대비될 정도였다.

테슬라모터스 대표 일론 머스크는 고인이 된 잡스와 비교될 만한 사람이다. 전기차로 세계적인 신드롬을 일으키고 있다. 아직 출시되지도 않은 그의 전기차를 충전 인프라가 요원한 우리나라에서 사전 주문한 사람이 내 주위에도 여럿 있을 정도니까. 배터리 기술에서 갑자기 큰 진전이 생길 가능성이 적어 보였고, 그래서 내연기관 자동차를 대체할 수 있는 수준의 전기자동차가 살아생전에 출현할 거라고 예상한 사람들은 많지 않았다.

자석이 얼마나 강한가를 재는 단위로 가우스라는 걸 쓰는데, 1만 가우스에 해당하는 단위가 테슬라다. 세르비아 출신의 니콜라 테슬라의 이름을 딴 이 단위를 개인적으론 대학에서 전자기학 수업을 들으면서 처음 접했다. 미터와 킬로그램 등을 기본 단위로 하는 미트릭 체계에서 자기장 세기의 기본 단위가 테슬라인데, 사실 테슬라급 자석은 너무 강해서 실생활에선 볼 일이 없다. 평범한 사람이 평생 가장 강력한 자기장을 접하는 게 병원에서 MRI 단층 촬영할 때인데, 이게 1.5~3테슬라 정도 되니까 정말 센 자기장을 다룰 때나 나온다.

전기장과 자기장의 상호 작용을 4개의 수학 방정식으로 완벽하게 기술해 전자기학의 새 장을 연 사람은 19세기 중반의 수학자이자 물리학자였던 제임스 맥스웰이다. 맥스웰방정식은 어쩌면 인류 역사에서 탄생한 가장 아름다운 방정식 몇 개에 들어갈 만하다. 아름답고 대칭적인 방식으로 전기와 자기가 동전의 양면처럼 상호 연관돼 있음을 표현한다. 전자기 현상에 대한 맥스웰의 수학적 체계화는 산업화 가능성으로 이어졌고 결국 2차 산업혁명을 촉발했다. 자기장이 변하면 전기장이 생긴다는 방정식에서 발전기가 발명됐고, 전기장이 변하면 자기장이 생긴다는 방정식에서 모터가 발명됐다.

19세기 후반의 본격적인 전기 도입 시기에 대립했던 걸출한 인물들이 에디슨과 테슬라다. 산업스파이나 기술 전쟁을 상상하기 힘들었던 시대에 두 사람은 전력 시스템을 두고 격하게 대립했다. 노력형 발명가 에디슨은 직류를 밀었고 천재형 기술자 테슬라는 교류로 사업화를 추진했다. 요즘 건전지에 사용되는 게 직류인데, 전압을 올리고 내리기가 힘든 속성 때문에 가정에서 실제 사용하는 낮은 전압으로 송전해야 했고, 전압이 낮아서 멀리 못 가니 발전소를 곳곳에 분산 배치해야 했다. 천재 기술자 테슬라의 교류 방식에서는 변압이 쉬운 교류를 초고압으로 멀리 송전하고 동네 근처에서 전압을 내려서 배전하는 방식으로 하니 발전소는 드문드문 있어도 된다. 결국 테슬라의 특허를 사들인 웨스팅하우스가 승리했고, 나이아가라폭포에서 수력발전으로 만들어진 전기는 고압의 교류로 송전됐다.

하지만 역사는 돌고 도는 것일까. 직류를 이용한 전력 체계라는 개념이 다시 등장했고 어쩌면 교류 중심의 현 체계를 갈아엎을 가능성이 생겼다. 태양광발전처럼 분산 배치된 직류발전소들이 출현하더니 직류 변압 기술과 차단 기술도 속속 개발되고 있다. 이미 제주도와 남해안 사이에 직류 송전이 구현됐다.

먼 거리를 고압 직류 송전하면 효율도 높고, 고압선으로 인한 인명 손실과 전자파 문제가 없어서 제2의 밀양송전탑 사태를 막을 수 있다. 21세기의 초입에 에디슨은 드디어 반격에 성공할까.
2016-04-20 30면

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